型鋼組合梁梁端構造連接性能試驗與優化設計研究

魯薇薇

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

組合結構中的連接構造是確保鋼與混凝土之間共同受力的關鍵構造,對組合結構的力學性能具有重要影響[1]。目前組合結構通常通過機械連接、界面摩擦和粘合連接三種方式實現鋼與混凝土之間的連接[2-4]。

梁端布置空間局促,鋼與混凝土的結合面積有限,既要滿足結構受力的傳遞,又要保證橫梁混凝土的施工質量,因此必須在此處采用緊湊、高效的連接方式。為此,研究團隊在既有鋼與混凝土連接方式的基礎上,提出了現澆鋼骨混凝土和剪力釘協同的型鋼-混凝土組合梁梁端連接新型構造。

橋梁運營期間,梁端可能要承受伸縮、轉動、上翹和錯動等作用效應,處于彎、剪、扭復合受力狀態。但國內外學者普遍采用的推出試驗無法較為真實地模擬梁端構造實際受力狀態,目前關于復雜受力狀態下組合結構連接構造受力連接性能的研究不足。文章通過開展工程橋梁梁端局部結構形式和實際受力狀態子結構足尺模型試驗研究,分析現澆鋼骨混凝土和剪力釘協同的型鋼-混凝土組合梁梁端構造連接力學性能,并針對試驗和工程實踐中發現的問題,探究梁端構造優化設計方法,從而提升該種新型組合梁梁端構造的工程實用性,并為該種梁端構造的推廣應用提供研究參考。

1 工程概況

以某座位于遼寧省凌源—興城線上的上部改建工程橋梁為依托,該橋采用熱軋H型鋼-混凝土組合梁替換原有空心板梁,開創熱軋H型鋼組合梁技術在我國公路橋梁上部結構應用的先例。該橋全長67.2m,橋梁跨徑布置為13.2m+3m×13m+13.2m,該橋橫向設置7片熱軋H型鋼主梁,主梁間距為1.9m,上部改建后橋面板凈寬由原來的9m增至12m,橋面橫坡為雙向1.5%。橋梁設計安全等級為一級,橋梁設計基準期為100年。由于重載車輛通行需要,橋梁汽車荷載等級設計為1.3倍公路-I級。

2 試驗研究

2.1 試驗模型

圖1所示為型鋼-混凝土端部橫向局部模型的構造形式,該試驗模型基本還原依托工程橋梁沿縱向3.08m、沿橫向3.8m(雙型鋼)局部區域的結構形式,主要由RC端橫梁、2片熱軋H型鋼主梁、混凝土橋面板,橋面板連接剪力釘及橫梁連接剪力釘組成。試驗模型采用的熱軋H型鋼主梁與依托工程橋梁使用的熱軋H型鋼主梁,由專業鋼材生產制造廠家同批生產制作。試驗模型使用的混凝土(C40補償收縮混凝土)和鋼筋(HRB400)均依照依托工程橋梁選用。端橫梁與橋面板鋼筋綁扎,混凝土澆筑與養護均在實驗室進行。

圖1 型鋼-混凝土端部橫向局部模型構造形式(單位:mm)

2.2 加載方案

試驗加載系統(見圖2)主要由PC加載臺座、反力架、加載設備以及三者之間的連接、傳力裝置構成。試驗加載時,加載設備通過鋼橫梁將試驗反力傳遞給反力架,反力架通過鋼立柱將荷載傳遞給PC加載臺座。

圖2 試驗加載系統、加載設備及試驗加載實景圖

試驗采用YDT2000/31.5-300型頂推千斤頂(見圖2)進行加載,千斤頂推力2080.6kN,拉力1091kN,行程300mm,千斤頂傳感器為BK-1B型傳感器,量程200t,精度等級0.5。

如圖2所示,此次試驗采用單點加載,加載點位于端橫梁跨中梁寬中心頂部。試驗采用分級加載和逐級卸載方式,每級加(卸)荷載時間通常在10～15min。

2.3 測試方案

試驗采用電阻應變測試技術記錄試驗荷載作用下梁端構造受力連接性能,觀測各級荷載作用下裂縫發生、發展、分布及走向。

3 試驗結果

3.1 典型裂縫

由于端橫梁彎剪復合區斜向主拉應力超過橫梁混凝土抗拉強度,出現大致平行于支座中心與加載點連線的一條斜裂縫,見圖3(a)。

圖3 典型裂縫分布圖

加載點下方混凝土局部承壓效應顯著,導致承壓面周圍混凝土承受較大拉應力作用,端橫梁側面出現由頂部向下延伸較短、分布相對較密的豎向裂縫,見圖3(b)。

在端部橫梁頂面壓力荷載作用下,加載點下方橫梁頂面出現明顯的局部承壓效應,導致加載點附近區域橋面板混凝土承受較大橫、縱向拉應力作用,當橫、縱向拉應力超過混凝土抗拉強度時,在橋面板頂面出現多條由加載點斜向開展的裂縫,見圖3(c)。

3.2 連接構造應變

圖4和圖5分別給出了端橫梁內型鋼段腹板下緣的荷載-應變曲線和橫梁連接剪力釘的荷載-拉拔應變曲線。

圖4 端橫梁內型鋼段腹板下緣的荷載-應變曲線

圖5 橫梁連接剪力釘的荷載-拉拔應變曲線

由圖4可知,端橫梁內型鋼段腹板上產生豎向壓應變和縱向拉應變,且其豎向受壓特征更為顯著;腹板下緣分布豎向壓應變較腹板中部要高。端橫梁內型鋼段腹板下緣的荷載-應變曲線在300～400kN加載階段出現明顯突變,腹板下緣沿豎向(縱向)壓(拉)應變變化相對初期有所減緩,進入近似線性變化階段。隨后的加載階段,曲線斜率有所起伏,但變化并不明顯;加載至1200kN時,最大豎向壓應變約為-125με,最大縱向拉應變約為93με。

從圖5可以看出,橫向連接剪力釘拉拔應變沿型鋼腹板上緣至下緣呈遞減趨勢分布。對于位于腹板上緣的剪力釘,加載至600kN時,其周圍混凝土拉應變達到50με,逼近混凝土抗拉強度而即將開裂;在600～700kN加載階段,剪力釘周圍混凝土拉應力超過其抗拉強度出現開裂;隨著施加荷載的增大,剪力釘拉拔力不斷增大,剪力釘周圍混凝土裂縫不斷延伸擴展,混凝土約束作用逐步退化,當加載至1000kN時達到臨界點,剪力釘周圍大部分混凝土由于開裂退出工作;在1000～1100kN加載階段,剪力釘拉拔應變隨荷載增長而急劇減小,由93με降至45με,混凝土對剪力釘拉拔變形的約束作用嚴重退化;在1100～1200kN加載階段,剪力釘拉拔應變隨荷載增長進一步減小。

對于位于腹板下緣剪力釘,加載至1000kN時,由于其周圍混凝土承受拉應力超過其抗拉強度而出現開裂,部分混凝土退出工作;在1000～1100kN加載階段,隨著剪力釘周圍混凝土裂縫開展,混凝土約束作用有所退化,剪力釘拉拔應變呈現出隨外加荷載增大而減小的現象,由56με降至36με;在1100～1200kN加載階段,剪力釘拉拔應變隨荷載增大而略有增長,表明混凝土裂縫處于相對穩定的狀態,其對剪力釘拉拔變形的約束作用未隨荷載增大而進一步退化。

4 梁端構造受力行為特征及優化

4.1 連接構造受力行為特征

橫梁內設置的無上翼緣型鋼段承受了扭轉、橫縱向彎曲、剪切、支座及橫梁混凝土約束等綜合效應。

橫向連接剪力釘承受沿縱向、豎向剪切作用和沿橫向的拉拔作用,且位于腹板上緣首排橫梁連接剪力釘承受的剪切、拉拔作用更為顯著。

橫梁內型鋼段和橫梁連接剪力釘自身保持了較好的受力狀態,梁端構造連接性能退化主要表現為包裹混凝土局部損傷,從而削弱端部橫梁對型鋼腹板及其上剪力釘的約束作用。

4.2 梁端構造優化

針對梁端構造連接性能試驗和工程實踐中發現的問題,提出型鋼-混凝土組合梁梁端構造優化設計方案:

(1)對端部橫梁斷面形式進行優化,將橫梁中性層設置在橋面板厚度以外區域。

(2)在運營車輛荷載作用下,端部橫梁承受反復扭轉效應,易產生沿橫梁跨度方向的水平裂縫和沿橫梁高度方向的豎向裂縫。因此,適當加強端橫梁在彎、剪、扭復合受力區域抗扭鋼筋及構造鋼筋配置。

(3)普通混凝土的抗拉性能較差,導致其對剪力釘拉拔和剪切的約束作用相對較弱,在布置剪力釘區域設置混凝土后澆帶,并采用抗拉性能較強的高性能混凝土,增強梁端構造連接力學性能,從而充分發揮鋼-混凝土組合梁的結構優勢。

5 結論

現澆鋼骨混凝土和剪力釘協同的組合梁梁端連接新型構造的形式合理,可以滿足中小跨徑組合梁橋設計要求,同時該構造增強了橋梁結構整體受力性能,避免梁端銹蝕劣化等問題。結合工程應用實際,可對端部橫梁進行斷面優化,增強端部橫梁在彎、剪、扭復合受力區域的抗扭鋼筋及構造鋼筋配置,在剪力釘布置區域增設摻入鋼纖維的高性能混凝土后澆帶。